龍官橋水庫取水兼放空隧洞比選及結(jié)構(gòu)設(shè)計

熊 璐，蘇 軍

(畢節(jié)市勘測設(shè)計研究院，貴州？畢節(jié)？551700)

1 概 述

貴州省畢節(jié)市龍官橋水庫位于烏江流域六沖河一級支流白甫河干流上游倒天河段上，壩址以上集雨面積31 km2，河長8.8 km，多年平均流量0.413 m3/s。水庫校核洪水位1 657.69 m，正常蓄水位1 655.00 m，總庫容1 099萬m3，興利庫容751萬m3，死庫容196萬m3。

工程任務(wù)是城市供水，工程建成后向“畢節(jié)—大方”中心城區(qū)內(nèi)的西部畢節(jié)老城區(qū)提供綜合用水，年供水總量959萬m3，可解決城市4.78萬人用水需求，城市用水供需矛盾將得到進一步緩解。

工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模屬中型水庫。水庫樞紐由混凝土面板堆石壩、開敞式側(cè)槽溢洪道、取水兼放空隧洞組成。針對龍官橋水庫需兼顧取水、導(dǎo)流及放空功能，右岸壩基覆蓋層厚，局部節(jié)理裂隙發(fā)育等不利條件，結(jié)合工程區(qū)地質(zhì)勘察資料，對“三洞合一”隧洞布置方案和隧洞結(jié)構(gòu)體型等進行詳細論證分析，確保泄水及取水兼放空建筑物布置合理、經(jīng)濟。

2 隧洞工程地質(zhì)條件

庫區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造無復(fù)活現(xiàn)象，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性好。取水兼放空隧洞地形主要為25°～75°斜坡地形，局部為陡巖，進出口近河床段地勢平緩，坡度在0～10°，第四系覆蓋層厚0～5 m，基巖多裸露，斜向坡，自然邊坡穩(wěn)定。經(jīng)過地層巖性為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群第一段(∈2—3Ls1)灰至深灰色薄至中厚層泥質(zhì)白云巖夾白云巖，巖層產(chǎn)狀為傾向S80°E，傾角11°，強風(fēng)化厚5～12 m。洞線走向N70°E，屬單斜構(gòu)造，區(qū)域構(gòu)造線未通過洞線，分別在269 m處和288 m處發(fā)育F15和F43兩條陡傾角性質(zhì)不明斷層，規(guī)模小，屬次級構(gòu)造；斷層破碎帶較窄，膠結(jié)較好，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育。洞線未見巖溶溶洞水出露，岸坡地下水以裂隙水為主。洞線位于地下水位附近，洞室工程地質(zhì)條件比較復(fù)雜。

根據(jù)圍巖工程地質(zhì)分類，進出口邊坡強風(fēng)化帶屬Ⅳ類圍巖，隧洞中部洞身段屬Ⅲ類圍巖；Ⅳ類圍巖洞室穩(wěn)定性較差，開挖時需作臨時支護處理。由于整個洞線位于地下水位附近，洞線區(qū)巖石產(chǎn)出平緩，節(jié)理裂隙較發(fā)育，隧洞段考慮地下水的影響，Ⅲ類圍巖段也需進行襯砌。

3 隧洞布置方案比選

龍官橋水庫建成后將承擔(dān)西部畢節(jié)老城區(qū)供水任務(wù)，城區(qū)受水用戶坐落在1 380～1 535 m高程之間。由于龍官橋水庫與下游倒天河水庫地勢較高，可控制庫水自流引至受水區(qū)，龍官橋水庫可利用下游天然河道輸水至下游倒天河水庫，再利用已建城市供水系統(tǒng)向用戶供水。水庫下游河道兩岸自然邊坡穩(wěn)定，經(jīng)調(diào)查無滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象。下游河道寬10～20 m，區(qū)間河道長12.38 km，河道平均坡降23.2‰，水庫下放流量0.36 m3/s，水深約0.1 m，現(xiàn)狀天然河道滿足輸水要求。為此，龍官橋水庫不需另建輸水工程，利用下游天然河道輸水，下放流量0.36 m3/s遠大于生態(tài)用水流量，隧洞出口下游河段不會出現(xiàn)脫水現(xiàn)象；且龍官橋水庫壩址至倒天河水庫區(qū)間河道無其他用水情況，水庫運行期不考慮下放生態(tài)用水。

龍官橋水庫取水流量為0.36 m3/s，只需從水庫取水經(jīng)下游天然河道輸水，無需修建其他輸水建筑物，與放空庫水的要求相同；水庫興利庫容751萬m3，設(shè)計放空流量遠大于取水流量，按放空流量設(shè)計的隧洞能夠滿足取水的要求，由此考慮取水兼放空隧洞二洞合一。另外，若導(dǎo)流隧洞與取水兼放空隧洞分開建設(shè)，則后期導(dǎo)流隧洞封堵后失去功能，造成投資浪費[1]；同時隧洞導(dǎo)流能力遠大于取水流量。因此，設(shè)計考慮利用導(dǎo)流隧洞改建成為取水、放空隧洞即“三洞合一”的形式，既有利于樞紐建筑物整體布置，又可實現(xiàn)臨時建筑物和永久建筑物的“永臨結(jié)合”，節(jié)省工程投資[2_3]。

龍官橋水庫“三洞合一”隧洞布置擬定左、右岸方案從工程地質(zhì)、樞紐布置、施工條件及投資等方面進行綜合比選，比選結(jié)果如表1所示。

表1 左、右岸“三洞合一”布置方案綜合比選

從表1可以看出，兩種方案工程地質(zhì)條件差異較小，施工條件也相當(dāng)。左岸方案雖洞長較長，但可充分利用廢棄砂石廠的下游出洞，工程量較小，工程總投資較右岸少43.14萬元，在工程布置及工程量投資上均占有優(yōu)勢；因此優(yōu)選左岸取水兼導(dǎo)流放空“三洞合一”隧洞布置方案。

4 隧洞結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

4.1 隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

(1)計算工況條件

根據(jù)大壩防滲帷幕灌漿線布置，隧洞洞身段需穿越帷幕線，可考慮將隧洞分為兩段考慮，即帷幕灌漿線上游段(樁號0+000.00～0+100.41 m，Ⅳ類圍巖)和帷幕灌漿線下游段(樁號0+100.41～0+306.57 m，其中：0+100.41～0+210.03 m段為Ⅲ類圍巖，其余為Ⅳ類圍巖)。帷幕灌漿線上游段外水壓力考慮為全水頭(即校核洪水位減洞底板高程)，且為確保安全不考慮折減系數(shù)，選取樁號0+100.41 m斷面(以下簡稱斷面一)進行計算，即：外水壓力41.27 m，內(nèi)水壓力0.979 m。帷幕灌漿線下游段選取兩個特征斷面進行計算，分別位于樁號0+147.36 m(以下簡稱斷面二)及樁號0+347.12 m(以下簡稱斷面三)，其中：斷面二處外水壓力最大為11.9 m，內(nèi)水壓力1.399 m；斷面三為隧洞末端，運行期內(nèi)水壓力最大為1.804 m，外水壓力為5.84 m。

根據(jù)襯砌厚度及襯砌材料容重確定，鋼筋混凝土容重γc取25 kN/m3。按設(shè)計水深作用于襯砌內(nèi)緣表面，邊墻按三角形分布荷載分布，底板按矩形荷載分布。水容重γw取9.81 kN/m3。Ⅲ類圍巖單位彈性抗力系數(shù)：K0=20～50 MPa/cm；Ⅳ類圍巖單位彈性抗力系數(shù)：K0=5～20 MPa/cm。回填灌漿壓力對鋼筋混凝土襯砌采用0.3～0.5 MPa，取0.4 MPa。由于回填灌漿在襯砌完成后進行，在灌漿壓力小于外水壓力時可不予計算。

結(jié)合工程實際，計算時考慮三種工況：即運行期、施工期、檢修期，計算荷載組合為：

(2)斷面計算參數(shù)

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》(SL 279—2016)[4_5]計算得各斷面計算參數(shù)取值，詳見表2。

表2 各斷面計算參數(shù)取值

(3)計算成果分析

結(jié)合表2計算結(jié)果，隧洞襯砌內(nèi)力采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法分析[6]，計算得不利斷面在不同運行工況條件下的結(jié)構(gòu)受力特性參數(shù)，詳見表3。

表3 不利斷面結(jié)構(gòu)受力特性參數(shù)

根據(jù)表3計算結(jié)果可知，施工期為控制工況，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)以施工期計算結(jié)果進行襯砌及鋼筋配置。

4.2 隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

取水兼放空隧洞布置于大壩左岸，平面上呈“J”型布置。前部設(shè)龍?zhí)ь^與導(dǎo)流隧洞后段相連，導(dǎo)流隧洞前段與取水兼放空隧洞在平面上呈“卜”形錯開布置。取水兼放空隧洞系統(tǒng)總長372.48 m，由進水渠、進口段、洞身段、出口段組成。放0-020.00～放 0+000.00 m為進水渠，底寬15.60～5.7 m，底板采用30 cm厚C20鋼筋混凝土襯砌，底板高程1 631.10 m。放空進水口與取水進水口采取獨立布置，兩者軸線在平面上正交。隧 0+000～隧 0+306.50 m為隧洞洞身段，隧洞為無壓隧洞，城門洞形斷面，尺寸為b×h=2.4 m×2.6 m。隧洞出口底板高程1 607.05 m，底寬2.4 m，出口洞臉頂部1 611.16 m高程以下邊墻采用厚1 m的C20混凝土進行襯砌，1 611.16 m高程以上開挖邊坡進行錨噴支護。尾 0+000.00～尾 0+010.00 m為出口擴散段；尾0+010.00～尾0+031.60 m為消力池。

隧洞沿線地質(zhì)條件較好，隧洞圍巖以Ⅲ、Ⅳ類為主。結(jié)合表3計算結(jié)果，對Ⅲ類圍巖，襯砌厚30 cm，配單層鋼筋，頂拱回填灌漿，帷幕灌漿上游段進行固結(jié)灌漿；對Ⅳ類圍巖，襯砌厚40 cm，配雙層鋼筋，頂拱回填灌漿，帷幕灌漿上游段進行固結(jié)灌漿。隧洞底板及邊墻采用C30HF抗沖耐磨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂拱為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其中樁號0+000.00～0+120.41 m段、樁號0+210.03～0+306.57 m段襯砌厚度30 cm，樁號0+120.41～0+210.03 m段襯砌厚度40 cm。樁號0+000.00～0+120.41 m段(帷幕灌漿上游段)布設(shè)固結(jié)灌漿孔，1排5孔，排距3 m，孔深2.0 m；樁號0+120.41～0+306.50 m段(帷幕灌漿下游段)襯砌洞頂拱120°范圍內(nèi)考慮設(shè)置系統(tǒng)排水孔，每一橫斷面有2個排水孔、孔深3 m、排距3 m。隧洞全段頂拱120°范圍布置回填灌漿孔，灌漿孔深入基巖0.1 m，間排距3.0 m，呈梅花型布置。

5 結(jié) 論

龍官橋水庫屬山區(qū)峽谷型水庫，工程區(qū)地形地質(zhì)條件整體較好，但局部存在節(jié)理裂隙發(fā)育，可能影響洞室穩(wěn)定。為確?！叭春弦弧彼矶唇Y(jié)構(gòu)具有較高安全性和經(jīng)濟性，對隧洞整體布置方案和結(jié)構(gòu)計算進行了詳細論證分析。

(1)隧洞基巖以Ⅲ、Ⅳ類泥質(zhì)白云巖為主，整個洞線位于地下水位附近，考慮到巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育及地下水的影響，設(shè)計采用混凝土全斷面襯砌支護，以增強洞室圍巖穩(wěn)定性。

(2)左岸“三洞合一”隧洞方案，將取水、導(dǎo)流及放空功能集為一體，樞紐建筑物布置緊湊；同時充分利用了廢棄砂石廠的下游出洞，具有較高的技術(shù)可行性和經(jīng)濟性。

(3)不利斷面不同荷載條件下的結(jié)構(gòu)受力分析表明，施工期為控制工況。采取合理的全斷面襯砌、頂拱回填灌漿和固結(jié)灌漿等措施處理，隧洞具有較好的安全穩(wěn)定性。

工程于2021年9月下閘蓄水投運，歷經(jīng)兩年汛期洪水檢驗，整體運行反饋良好。